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Zusammenfassung

Induktivitäten sind sehr wichtige Komponenten in Schaltwandlern wie Energiespeichern und Leistungsfiltern. Es gibt viele Arten von Induktoren, z. B. für unterschiedliche Anwendungen (von Niederfrequenz bis Hochfrequenz) oder verschiedene Kernmaterialien, die die Eigenschaften des Induktors usw. beeinflussen. In Schaltwandlern verwendete Induktivitäten sind hochfrequente magnetische Komponenten. Aufgrund verschiedener Faktoren wie Materialien, Betriebsbedingungen (wie Spannung und Strom) und Umgebungstemperatur sind die vorgestellten Eigenschaften und Theorien jedoch sehr unterschiedlich. Daher muss beim Schaltungsentwurf zusätzlich zum Grundparameter des Induktivitätswerts noch die Beziehung zwischen der Impedanz der Induktivität und dem Wechselstromwiderstand und der Frequenz, dem Kernverlust und der Sättigungsstromcharakteristik usw. berücksichtigt werden. Dieser Artikel stellt einige wichtige Induktorkernmaterialien und deren Eigenschaften vor und leitet Energietechniker auch an, kommerziell erhältliche Standardinduktoren auszuwählen.

Vorwort

Induktor ist ein elektromagnetisches Induktionsbauteil, das durch Wickeln einer bestimmten Anzahl von Spulen (Spule) auf einen Spulenkörper oder Kern mit einem isolierten Draht gebildet wird. Diese Spule wird Induktivität oder Induktivität genannt. Nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion wird, wenn sich die Spule und das Magnetfeld relativ zueinander bewegen oder die Spule durch einen Wechselstrom ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, eine induzierte Spannung erzeugt, um der Änderung des ursprünglichen Magnetfelds zu widerstehen. und diese Eigenschaft, die Stromänderung einzuschränken, wird Induktivität genannt.

Die Formel für den Induktivitätswert lautet Formel (1), die proportional zur magnetischen Permeabilität, dem Quadrat der Wicklungswindungen N und der äquivalenten Magnetkreisquerschnittsfläche Ae ist und umgekehrt proportional zur äquivalenten Magnetkreislänge le . ist . Es gibt viele Arten von Induktivitäten, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind; die Induktivität hängt von der Form, Größe, Wickelmethode, Windungszahl und der Art des magnetischen Zwischenmaterials ab.

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Je nach Form des Eisenkerns umfasst die Induktivität Ringkern, E-Kern und Trommel; Beim Eisenkernmaterial gibt es hauptsächlich Keramikkerne und zwei weichmagnetische Typen. Sie sind Ferrit und Metallpulver. Abhängig von der Struktur oder dem Verpackungsverfahren gibt es drahtgewickelte, mehrlagige und gegossene, und die drahtgewickelten Drähte sind nicht abgeschirmt und zur Hälfte mit Magnetkleber abgeschirmt (halbabgeschirmt) und abgeschirmt (abgeschirmt) usw.

Der Induktor wirkt bei Gleichstrom wie ein Kurzschluss und weist Wechselstrom eine hohe Impedanz auf. Zu den grundlegenden Anwendungen in Schaltungen gehören Drosselung, Filterung, Abstimmung und Energiespeicherung. Bei der Anwendung des Schaltwandlers ist die Induktivität der wichtigste Energiespeicher und bildet mit dem Ausgangskondensator einen Tiefpassfilter zur Reduzierung der Ausgangsspannungswelligkeit, spielt also auch eine wichtige Rolle bei der Filterfunktion.

In diesem Artikel werden die verschiedenen Kernmaterialien von Induktivitäten und ihre Eigenschaften sowie einige der elektrischen Eigenschaften von Induktivitäten als wichtige Bewertungsreferenz für die Auswahl von Induktivitäten während des Schaltungsentwurfs vorgestellt. Im Anwendungsbeispiel wird anhand praktischer Beispiele die Berechnung des Induktivitätswertes und die Auswahl einer handelsüblichen Standarddrossel vorgestellt.

Art des Kernmaterials

In Schaltwandlern verwendete Induktivitäten sind hochfrequente magnetische Komponenten. Das Kernmaterial in der Mitte beeinflusst am stärksten die Eigenschaften des Induktors, wie Impedanz und Frequenz, Induktivitätswert und -frequenz oder Kernsättigungseigenschaften. Im Folgenden wird der Vergleich verschiedener gängiger Eisenkernmaterialien und ihrer Sättigungseigenschaften als wichtige Referenz für die Auswahl von Leistungsinduktivitäten vorgestellt:

1. Keramikkern

Keramikkern ist eines der gebräuchlichsten Induktivitätsmaterialien. Es wird hauptsächlich verwendet, um die Tragstruktur bereitzustellen, die beim Wickeln der Spule verwendet wird. Er wird auch „Luftkerninduktor“ genannt. Da der verwendete Eisenkern ein nichtmagnetisches Material mit sehr niedrigem Temperaturkoeffizienten ist, ist der Induktivitätswert im Betriebstemperaturbereich sehr stabil. Aufgrund des nichtmagnetischen Materials als Medium ist die Induktivität jedoch sehr gering, was für den Einsatz in Stromrichtern wenig geeignet ist.

2. Ferrit

Der in allgemeinen Hochfrequenzinduktoren verwendete Ferritkern ist eine Ferritverbindung, die Nickel-Zink (NiZn) oder Mangan-Zink (MnZn) enthält, ein weichmagnetisches ferromagnetisches Material mit niedriger Koerzitivfeldstärke. Abbildung 1 zeigt die Hysteresekurve (BH-Schleife) eines allgemeinen Magnetkerns. Die Koerzitivfeldstärke HC eines magnetischen Materials wird auch Koerzitivfeldstärke genannt, das heißt, wenn das magnetische Material bis zur magnetischen Sättigung magnetisiert ist, wird seine Magnetisierung (Magnetisierung) auf Null reduziert. Die jeweils erforderliche magnetische Feldstärke. Eine niedrigere Koerzitivfeldstärke bedeutet einen geringeren Widerstand gegen Entmagnetisierung und bedeutet auch einen geringeren Hystereseverlust.

Mangan-Zink- und Nickel-Zink-Ferrite haben eine relativ hohe relative Permeabilität (μr), etwa 1500-15000 bzw. 100-1000. Ihre hohe magnetische Permeabilität macht den Eisenkern in einem bestimmten Volumen höher. Die Induktivität. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass sein tolerierbarer Sättigungsstrom gering ist und sobald der Eisenkern gesättigt ist, die magnetische Permeabilität stark abfällt. Siehe Abbildung 4 für den abnehmenden Trend der magnetischen Permeabilität von Ferrit- und Pulvereisenkernen, wenn der Eisenkern gesättigt ist. Vergleich. Bei Verwendung in Leistungsinduktivitäten verbleibt im Hauptmagnetkreis ein Luftspalt, der die Permeabilität verringern, Sättigung vermeiden und mehr Energie speichern kann. wenn der Luftspalt eingeschlossen ist, kann die äquivalente relative Permeabilität etwa 20 bis 200 betragen. Da der hohe spezifische Widerstand des Materials selbst den durch Wirbelstrom verursachten Verlust reduzieren kann, ist der Verlust bei hohen Frequenzen geringer und eignet sich besser für Hochfrequenztransformatoren, EMI-Filter-Induktivitäten und Energiespeicher-Induktivitäten von Stromrichtern. Bezüglich der Betriebsfrequenz ist Nickel-Zink-Ferrit geeignet (>1 MHz), während Mangan-Zink-Ferrit für niedrigere Frequenzbänder (<2 MHz) geeignet ist.

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Abbildung 1. Die Hysteresekurve des Magnetkerns (BR: Remanenz; BSAT: magnetische Sättigungsflussdichte)

3. Pulvereisenkern

Pulvereisenkerne sind ebenfalls weichmagnetische ferromagnetische Materialien. Sie bestehen aus Eisenpulverlegierungen unterschiedlicher Materialien oder nur aus Eisenpulver. Die Formel enthält nichtmagnetische Materialien mit unterschiedlichen Partikelgrößen, daher ist die Sättigungskurve relativ sanft. Der Pulvereisenkern ist meist toroidförmig. Abbildung 2 zeigt den Pulvereisenkern und seine Querschnittsansicht.

Übliche pulverisierte Eisenkerne umfassen Eisen-Nickel-Molybdän-Legierung (MPP), Sendust (Sendust), Eisen-Nickel-Legierung (hoher Fluss) und Eisenpulverkern (Eisenpulver). Aufgrund der unterschiedlichen Komponenten sind auch ihre Eigenschaften und Preise unterschiedlich, was sich auf die Wahl der Induktivitäten auswirkt. Im Folgenden werden die oben genannten Kerntypen vorgestellt und ihre Eigenschaften verglichen:

A. Eisen-Nickel-Molybdän-Legierung (MPP)

Fe-Ni-Mo-Legierung wird als MPP abgekürzt, was die Abkürzung für Molypermalloy-Pulver ist. Die relative Permeabilität beträgt etwa 14–500, und die magnetische Sättigungsflussdichte beträgt etwa 7500 Gauss (Gauss), was höher ist als die magnetische Sättigungsflussdichte von Ferrit (etwa 4000–5000 Gauss). Viele raus. MPP hat den geringsten Eisenverlust und die beste Temperaturstabilität unter den Pulvereisenkernen. Wenn der externe Gleichstrom den Sättigungsstrom ISAT erreicht, sinkt der Induktivitätswert langsam ohne abrupte Dämpfung. MPP hat eine bessere Leistung, aber höhere Kosten und wird normalerweise als Leistungsinduktivität und EMI-Filterung für Leistungswandler verwendet.

 

B. Sendust

Der Eisenkern aus einer Eisen-Silizium-Aluminium-Legierung ist ein aus Eisen, Silizium und Aluminium bestehender Legierungseisenkern mit einer relativen magnetischen Permeabilität von etwa 26 bis 125. Der Eisenverlust liegt zwischen dem Eisenpulverkern und MPP und der Eisen-Nickel-Legierung . Die magnetische Sättigungsflussdichte ist höher als MPP, etwa 10500 Gauss. Temperaturstabilität und Sättigungsstromeigenschaften sind etwas schlechter als MPP und Eisen-Nickel-Legierungen, aber besser als Eisenpulverkern und Ferritkern, und die relativen Kosten sind billiger als MPP und Eisen-Nickel-Legierungen. Es wird hauptsächlich in der EMI-Filterung, in Leistungsfaktorkorrekturschaltungen (PFC) und in Leistungsinduktivitäten von Schaltnetzteilen verwendet.

 

C. Eisen-Nickel-Legierung (hoher Fluss)

Der Kern der Eisen-Nickel-Legierung besteht aus Eisen und Nickel. Die relative magnetische Permeabilität beträgt etwa 14-200. Der Eisenverlust und die Temperaturstabilität liegen zwischen MPP und Eisen-Silizium-Aluminium-Legierung. Der Kern aus einer Eisen-Nickel-Legierung hat die höchste magnetische Sättigungsflussdichte, etwa 15.000 Gauss, und kann höheren DC-Bias-Strömen widerstehen, und seine DC-Bias-Eigenschaften sind auch besser. Anwendungsbereich: Aktive Blindleistungskompensation, Energiespeicherinduktivität, Filterinduktivität, Hochfrequenztransformator von Sperrwandlern usw.

 

D. Eisenpulver

Der Eisenpulverkern besteht aus hochreinen Eisenpulverpartikeln mit sehr kleinen Partikeln, die voneinander isoliert sind. Durch den Herstellungsprozess hat es einen verteilten Luftspalt. Neben der Ringform haben die gängigen Eisenpulverkernformen auch E-Typ und Stanztypen. Die relative magnetische Permeabilität des Eisenpulverkerns beträgt etwa 10 bis 75, und die magnetische Sättigungsflussdichte beträgt etwa 15000 Gauss. Unter den Pulvereisenkernen weist der Eisenpulverkern den höchsten Eisenverlust, aber die niedrigsten Kosten auf.

Fig. 3 zeigt die BH-Kurven von PC47 Mangan-Zink-Ferrit, hergestellt von TDK, und pulverisierten Eisenkernen -52 und -2, hergestellt von MICROMETALS; die relative magnetische Permeabilität von Mangan-Zink-Ferrit ist viel höher als die von pulverisierten Eisenkernen und ist gesättigt Die magnetische Flussdichte ist ebenfalls sehr unterschiedlich, der Ferrit beträgt etwa 5000 Gauss und der Eisenpulverkern mehr als 10000 Gauss.

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Abbildung 3. BH-Kurve von Mangan-Zink-Ferrit- und Eisenpulverkernen verschiedener Materialien

 

Zusammenfassend sind die Sättigungseigenschaften des Eisenkerns unterschiedlich; wird der Sättigungsstrom überschritten, sinkt die magnetische Permeabilität des Ferritkerns stark ab, während der Eisenpulverkern langsam abnehmen kann. Abbildung 4 zeigt die Charakteristik des Abfalls der magnetischen Permeabilität eines Eisenpulverkerns mit der gleichen magnetischen Permeabilität und eines Ferrits mit einem Luftspalt bei unterschiedlichen magnetischen Feldstärken. Dies erklärt auch die Induktivität des Ferritkerns, da die Permeabilität bei Sättigung des Kerns stark abfällt, wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, führt dies auch zu einem starken Abfall der Induktivität; während der Pulverkern mit verteiltem Luftspalt die magnetische Permeabilität Die Rate nimmt langsam ab, wenn der Eisenkern gesättigt ist, so dass die Induktivität sanfter abnimmt, dh sie hat bessere DC-Bias-Eigenschaften. Bei der Anwendung von Stromrichtern ist diese Eigenschaft sehr wichtig; Wenn die langsame Sättigungscharakteristik des Induktors nicht gut ist, steigt der Induktorstrom auf den Sättigungsstrom an, und der plötzliche Abfall der Induktanz führt zu einem starken Anstieg der Strombelastung des Schaltkristalls, was leicht zu Schäden führen kann.

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Abbildung 4. Kennlinien des magnetischen Permeabilitätsabfalls von Pulvereisenkernen und Ferriteisenkernen mit Luftspalt bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken.

 

Elektrische Eigenschaften des Induktors und Gehäusestruktur

Bei der Konstruktion eines Schaltwandlers und der Auswahl einer Induktivität sind der Induktivitätswert L, die Impedanz Z, der AC-Widerstand ACR und der Q-Wert (Gütefaktor), der Nennstrom IDC und ISAT sowie die Kerndämpfung (Kerndämpfung) und andere wichtige elektrische Eigenschaften alle ein Muss in Betracht gezogen werden. Außerdem beeinflusst die Packungsstruktur des Induktors die Größe der magnetischen Streuung, was wiederum die EMI beeinflusst. Im Folgenden werden die oben erwähnten Eigenschaften separat als Überlegungen zur Auswahl von Induktoren erörtert.

1. Induktivitätswert (L)

Der Induktivitätswert einer Induktivität ist die wichtigste Grundgröße beim Schaltungsentwurf, es muss jedoch geprüft werden, ob der Induktivitätswert bei der Betriebsfrequenz stabil ist. Der Nennwert der Induktivität wird normalerweise bei 100 kHz oder 1 MHz ohne externe DC-Vorspannung gemessen. Und um die Möglichkeit einer automatisierten Massenproduktion zu gewährleisten, beträgt die Toleranz des Induktors normalerweise ±20% (M) und ±30% (N). Abbildung 5 ist die Induktivitäts-Frequenz-Kennlinie des Taiyo Yuden-Induktors NR4018T220M, gemessen mit dem LCR-Messgerät von Wayne Kerr. Wie in der Abbildung gezeigt, ist die Induktivitätswertkurve vor 5 MHz relativ flach, und der Induktivitätswert kann fast als konstant angesehen werden. Im Hochfrequenzband steigt aufgrund der Resonanz, die durch die parasitäre Kapazität und Induktivität erzeugt wird, der Induktivitätswert an. Diese Resonanzfrequenz wird als Eigenresonanzfrequenz (SRF) bezeichnet, die normalerweise viel höher als die Betriebsfrequenz sein muss.

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Abbildung 5, Taiyo Yuden NR4018T220M Induktivitäts-Frequenz-Kennlinien-Messdiagramm

 

2. Impedanz (Z)

Wie in Abbildung 6 dargestellt, lässt sich das Impedanzdiagramm auch aus dem Verhalten der Induktivität bei verschiedenen Frequenzen ablesen. Die Impedanz der Induktivität ist ungefähr proportional zur Frequenz (Z=2πfL). Je höher die Frequenz, desto größer ist die Reaktanz als der AC-Widerstand, sodass sich die Impedanz wie eine reine Induktivität verhält (Phase ist 90˚). Bei hohen Frequenzen ist aufgrund des parasitären Kapazitätseffekts der Eigenresonanz-Frequenzpunkt der Impedanz zu sehen. Nach diesem Punkt fällt die Impedanz ab und wird kapazitiv, und die Phase ändert sich allmählich auf -90 ˚.

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3. Q-Wert und AC-Widerstand (ACR)

Der Q-Wert in der Definition der Induktivität ist das Verhältnis von Reaktanz zu Widerstand, dh das Verhältnis des Imaginärteils zum Realteil der Impedanz, wie in Formel (2).

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Dabei ist XL die Reaktanz des Induktors und RL der Wechselstromwiderstand des Induktors.

Im Niederfrequenzbereich ist der Wechselstromwiderstand größer als die durch die Induktivität verursachte Reaktanz, daher ist sein Q-Wert sehr niedrig; mit zunehmender Frequenz wird die Reaktanz (ca. 2πfL) immer größer, selbst wenn der Widerstand aufgrund des Skin-Effekts (Skin-Effekt) und des Nähe-Effekts (Proximity-Effekt) Der Effekt wird immer größer und der Q-Wert steigt mit der Frequenz immer noch an ; bei Annäherung an SRF wird die induktive Reaktanz allmählich durch die kapazitive Reaktanz ausgeglichen, und der Q-Wert wird allmählich kleiner; wenn die SRF Null wird, weil die induktive Reaktanz und die kapazitive Reaktanz völlig gleich sind, verschwinden. Abbildung 7 zeigt die Beziehung zwischen Q-Wert und Frequenz des NR4018T220M, und die Beziehung hat die Form einer umgekehrten Glocke.

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Abbildung 7. Die Beziehung zwischen Q-Wert und Frequenz des Taiyo Yuden-Induktors NR4018T220M

Im Anwendungsfrequenzband der Induktivität gilt: Je höher der Q-Wert, desto besser; es bedeutet, dass seine Reaktanz viel größer ist als der Wechselstromwiderstand. Im Allgemeinen liegt der beste Q-Wert über 40, was bedeutet, dass die Qualität des Induktors gut ist. Im Allgemeinen nimmt jedoch mit zunehmender DC-Vorspannung der Induktivitätswert ab und der Q-Wert nimmt ebenfalls ab. Bei Verwendung von Flachlackdraht oder mehradrigem Lackdraht kann der Skin-Effekt, also der Wechselstromwiderstand, reduziert und auch der Q-Wert der Induktivität erhöht werden.

Der DC-Widerstand DCR wird allgemein als der DC-Widerstand des Kupferdrahts angesehen, und der Widerstand kann anhand des Drahtdurchmessers und der Länge berechnet werden. Die meisten SMD-Induktivitäten mit niedrigem Strom verwenden jedoch Ultraschallschweißen, um das Kupferblech der SMD am Wicklungsanschluss herzustellen. Da der Kupferdraht jedoch nicht lang ist und der Widerstandswert nicht hoch ist, macht der Schweißwiderstand oft einen erheblichen Anteil am gesamten Gleichstromwiderstand aus. Am Beispiel der drahtgewickelten SMD-Induktivität CLF6045NIT-1R5N von TDK beträgt der gemessene DC-Widerstand 14,6 mΩ und der anhand von Drahtdurchmesser und -länge berechnete DC-Widerstand 12,1 mΩ. Die Ergebnisse zeigen, dass dieser Schweißwiderstand etwa 17% des gesamten Gleichstromwiderstands ausmacht.

AC-Widerstand ACR hat einen Skin-Effekt und einen Proximity-Effekt, wodurch ACR mit der Frequenz ansteigt; bei der Anwendung der allgemeinen Induktivität ist der durch ACR verursachte Einfluss nicht offensichtlich, da die AC-Komponente viel niedriger ist als die DC-Komponente; aber bei geringer Last, Da der DC-Anteil reduziert ist, kann der durch ACR verursachte Verlust nicht ignoriert werden. Der Skin-Effekt bedeutet, dass unter Wechselstrombedingungen die Stromverteilung im Leiter ungleichmäßig und auf die Oberfläche des Drahtes konzentriert ist, was zu einer Verringerung des äquivalenten Drahtquerschnitts führt, was wiederum den äquivalenten Widerstand des Drahtes um . erhöht Frequenz. Darüber hinaus verursachen benachbarte Drähte in einer Drahtwicklung die Addition und Subtraktion von Magnetfeldern aufgrund des Stroms, sodass sich der Strom auf die dem Draht benachbarte Oberfläche (oder die am weitesten entfernte Oberfläche, je nach Stromrichtung) konzentriert ), was ebenfalls ein gleichwertiges Abfangen von Drähten verursacht. Das Phänomen, dass die Fläche abnimmt und der äquivalente Widerstand zunimmt, ist der sogenannte Proximity-Effekt; bei der Induktivitätsanwendung einer mehrlagigen Wicklung ist der Proximity-Effekt noch deutlicher.

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Abbildung 8 zeigt den Zusammenhang zwischen AC-Widerstand und Frequenz der drahtgewickelten SMD-Induktivität NR4018T220M. Bei einer Frequenz von 1kHz beträgt der Widerstand etwa 360mΩ; bei 100kHz steigt der Widerstand auf 775mΩ; bei 10MHz liegt der Widerstandswert nahe 160Ω. Bei der Schätzung des Kupferverlustes muss die Berechnung den durch Skin- und Proximity-Effekte verursachten ACR berücksichtigen und auf Formel (3) modifizieren.

4. Sättigungsstrom (ISAT)

Der Sättigungsstrom ISAT ist im Allgemeinen der Vorspannungsstrom, der markiert wird, wenn der Induktivitätswert gedämpft wird, z. B. 10 %, 30 % oder 40 %. Bei Ferrit mit Luftspalt gibt es keinen großen Unterschied zwischen 10 % und 40 %, da seine Sättigungsstromkennlinie sehr schnell ist. Siehe Abbildung 4. Wenn es sich jedoch um einen Eisenpulverkern (z. B. eine gestanzte Induktivität) handelt, ist die Sättigungskurve relativ sanft, wie in Abbildung 9 gezeigt, der Vorspannungsstrom bei 10 % oder 40 % der Induktivitätsdämpfung ist viel unterschiedlich, daher wird der Sättigungsstromwert für die beiden Arten von Eisenkernen wie folgt separat diskutiert.

Bei einem Ferrit mit Luftspalt ist es sinnvoll, ISAT als Obergrenze des maximalen Induktorstroms für Schaltungsanwendungen zu verwenden. Wenn es sich jedoch um einen Eisenpulverkern handelt, besteht aufgrund der langsamen Sättigungscharakteristik kein Problem, selbst wenn der maximale Strom der Anwendungsschaltung ISAT überschreitet. Daher ist diese Eisenkerncharakteristik am besten für Schaltwandleranwendungen geeignet. Obwohl der Induktivitätswert der Induktivität bei hoher Last niedrig ist, wie in Abbildung 9 gezeigt, ist der Stromwelligkeitsfaktor hoch, aber die Stromtoleranz des Stromkondensators ist hoch, sodass dies kein Problem darstellt. Bei geringer Last ist der Induktivitätswert des Induktors größer, was dazu beiträgt, den Welligkeitsstrom des Induktors zu reduzieren, wodurch der Eisenverlust reduziert wird. Abbildung 9 vergleicht die Sättigungsstromkurve des gewickelten Ferrits SLF7055T1R5N von TDK und des gestanzten Eisenpulverkern-Induktors SPM6530T1R5M bei gleichem Nennwert der Induktivität.

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Abbildung 9. Sättigungsstromkurve von gewickeltem Ferrit und gestanztem Eisenpulverkern bei gleichem Nennwert der Induktivität

5. Nennstrom (IDC)

Der IDC-Wert ist die DC-Vorspannung, wenn die Induktortemperatur auf Tr˚C ansteigt. Die Spezifikationen geben auch seinen DC-Widerstandswert RDC bei 20˚C an. Gemäß dem Temperaturkoeffizienten des Kupferdrahts beträgt etwa 3.930 ppm, wenn die Temperatur von Tr ansteigt, ist sein Widerstandswert RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) und sein Stromverbrauch beträgt PCU = I2DCxRDC. Dieser Kupferverlust wird an der Oberfläche des Induktors abgeführt und der Wärmewiderstand ΘTH des Induktors kann berechnet werden:

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Tabelle 2 bezieht sich auf das Datenblatt der TDK VLS6045EX-Serie (6,0×6,0×4,5 mm) und berechnet den Wärmewiderstand bei einem Temperaturanstieg von 40˚C. Offensichtlich ist der berechnete Wärmewiderstand für Induktoren der gleichen Serie und Größe aufgrund der gleichen Oberflächenwärmeableitungsfläche fast gleich; mit anderen Worten, der Nennstrom IDC verschiedener Induktoren kann geschätzt werden. Verschiedene Serien (Pakete) von Induktoren haben unterschiedliche Wärmewiderstände. Tabelle 3 vergleicht den Wärmewiderstand von Induktoren der TDK VLS6045EX-Serie (halbgeschirmt) und SPM6530-Serie (gegossen). Je größer der thermische Widerstand ist, desto höher ist der Temperaturanstieg, der erzeugt wird, wenn die Induktivität durch den Laststrom fließt; ansonsten die untere.

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Tabelle 2. Thermischer Widerstand der Induktivitäten der Serie VLS6045EX bei einem Temperaturanstieg von 40˚C

Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass selbst bei ähnlicher Größe der Induktoren der Wärmewiderstand der gestanzten Induktoren gering ist, d. h. die Wärmeableitung ist besser.

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Tabelle 3. Vergleich des Wärmewiderstands verschiedener Gehäuseinduktivitäten.

 

6. Kernverlust

Der Kernverlust, der als Eisenverlust bezeichnet wird, wird hauptsächlich durch Wirbelstromverluste und Hystereseverluste verursacht. Die Größe der Wirbelstromverluste hängt hauptsächlich davon ab, ob das Kernmaterial leicht „leitfähig“ ist; wenn die Leitfähigkeit hoch ist, d. h. der spezifische Widerstand gering ist, ist der Wirbelstromverlust hoch, und wenn der spezifische Widerstand des Ferrits hoch ist, ist der Wirbelstromverlust relativ gering. Der Wirbelstromverlust hängt auch mit der Frequenz zusammen. Je höher die Frequenz, desto größer der Wirbelstromverlust. Daher bestimmt das Kernmaterial die richtige Betriebsfrequenz des Kerns. Im Allgemeinen kann die Arbeitsfrequenz des Eisenpulverkerns 1 MHz und die Arbeitsfrequenz des Ferrits 10 MHz erreichen. Wenn die Betriebsfrequenz diese Frequenz überschreitet, steigt der Wirbelstromverlust schnell an und die Eisenkerntemperatur steigt ebenfalls an. Mit der rasanten Entwicklung von Eisenkernmaterialien sollten jedoch Eisenkerne mit höheren Betriebsfrequenzen vor der Tür stehen.

Ein weiterer Eisenverlust ist der Hystereseverlust, der proportional zu der von der Hysteresekurve eingeschlossenen Fläche ist, die sich auf die Schwingungsamplitude der Wechselstromkomponente des Stroms bezieht; je größer der Wechselstromhub, desto größer der Hystereseverlust.

Im Ersatzschaltbild einer Induktivität wird oft ein parallel zur Induktivität geschalteter Widerstand verwendet, um den Eisenverlust auszudrücken. Wenn die Frequenz gleich SRF ist, heben sich die induktive Reaktanz und die kapazitive Reaktanz auf und die äquivalente Reaktanz ist null. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Impedanz des Induktors dem Eisenverlustwiderstand in Reihe mit dem Wicklungswiderstand, und der Eisenverlustwiderstand ist viel größer als der Wicklungswiderstand, so dass die Impedanz bei SRF ungefähr gleich dem Eisenverlustwiderstand ist. Am Beispiel einer Niederspannungsinduktivität beträgt der Eisenverlustwiderstand etwa 20 kΩ. Wenn der Effektivwert der Spannung an beiden Enden des Induktors auf 5 V geschätzt wird, beträgt sein Eisenverlust etwa 1,25 mW, was auch zeigt, dass je größer der Eisenverlustwiderstand ist, desto besser.

7. Schildstruktur

Die Packungsstruktur von Ferrit-Induktoren umfasst nicht abgeschirmt, halb abgeschirmt mit Magnetkleber und abgeschirmt, und in beiden gibt es einen beträchtlichen Luftspalt. Offensichtlich weist der Luftspalt eine magnetische Streuung auf, und im schlimmsten Fall wird er die umgebenden Kleinsignalkreise stören, oder wenn sich ein magnetisches Material in der Nähe befindet, ändert sich auch seine Induktivität. Eine andere Verpackungsstruktur ist ein gestanzter Eisenpulverinduktor. Da innerhalb des Induktors kein Spalt vorhanden ist und die Wicklungsstruktur massiv ist, ist das Problem der Magnetfelddissipation relativ gering. Abbildung 10 zeigt die Verwendung der FFT-Funktion des RTO 1004-Oszilloskops, um die Größe des Streumagnetfelds 3 mm über und an der Seite des gestanzten Induktors zu messen. Tabelle 4 listet den Vergleich des Streumagnetfelds von Induktoren mit unterschiedlicher Packungsstruktur auf. Es ist ersichtlich, dass nicht abgeschirmte Induktivitäten die gravierendste magnetische Streuung aufweisen; gestanzte Induktivitäten haben die kleinste magnetische Streuung und zeigen die beste magnetische Abschirmwirkung. . Der Unterschied in der Größe des Streumagnetfelds der Induktoren dieser beiden Strukturen beträgt ungefähr 14 dB, was fast das Fünffache ist.

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Abbildung 10. Die Größe des Streumagnetfelds, gemessen bei 3 mm über und an der Seite des gestanzten Induktors

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Tabelle 4. Vergleich des Streumagnetfelds verschiedener Induktivitäten mit Gehäusestruktur

8. Kupplung

Bei einigen Anwendungen befinden sich manchmal mehrere Sätze von DC-Wandlern auf der Leiterplatte, die normalerweise nebeneinander angeordnet sind, und ihre entsprechenden Induktivitäten sind ebenfalls nebeneinander angeordnet. Wenn Sie einen nicht abgeschirmten oder halbabgeschirmten Typ mit Magnetkleber verwenden, können Induktoren miteinander gekoppelt sein, um EMI-Interferenzen zu bilden. Daher wird empfohlen, beim Platzieren der Induktivität zuerst die Polarität der Induktivität zu markieren und den Anfangs- und Wicklungspunkt der innersten Schicht der Induktivität mit der Schaltspannung des Wandlers zu verbinden, z. B. VSW eines Abwärtswandlers. das ist der bewegende Punkt. Die Ausgangsklemme ist mit dem Ausgangskondensator verbunden, dem statischen Punkt; die Kupferdrahtwicklung bildet daher eine gewisse Abschirmung des elektrischen Feldes. Bei der Verdrahtungsanordnung des Multiplexers hilft das Festlegen der Polarität der Induktivität, die Größe der Gegeninduktivität festzulegen und einige unerwartete EMI-Probleme zu vermeiden.

Anwendungen:

Im vorherigen Kapitel wurden das Kernmaterial, die Gehäusestruktur und wichtige elektrische Eigenschaften des Induktors erörtert. In diesem Kapitel werden die Auswahl des geeigneten Induktivitätswertes des Abwärtswandlers und die Überlegungen zur Auswahl einer handelsüblichen Induktivität erläutert.

Wie in Gleichung (5) gezeigt, beeinflussen der Induktorwert und die Schaltfrequenz des Wandlers den Induktorwelligkeitsstrom (ΔiL). Der Welligkeitsstrom des Induktors fließt durch den Ausgangskondensator und beeinflusst den Welligkeitsstrom des Ausgangskondensators. Daher beeinflusst es die Auswahl des Ausgangskondensators und beeinflusst weiter die Welligkeit der Ausgangsspannung. Darüber hinaus beeinflussen der Induktivitätswert und der Ausgangskapazitätswert auch das Rückkopplungsdesign des Systems und die dynamische Reaktion der Last. Die Wahl eines größeren Induktivitätswerts führt zu einer geringeren Strombelastung des Kondensators und ist auch vorteilhaft, um die Welligkeit der Ausgangsspannung zu reduzieren und kann mehr Energie speichern. Ein größerer Induktivitätswert weist jedoch auf ein größeres Volumen hin, d. h. auf höhere Kosten. Daher ist bei der Auslegung des Wandlers die Auslegung des Induktivitätswertes sehr wichtig.

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Aus Formel (5) ist ersichtlich, dass, wenn die Lücke zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung größer ist, der Welligkeitsstrom des Induktors größer wird, was der ungünstigste Zustand des Induktordesigns ist. In Verbindung mit anderen induktiven Analysen sollte der Induktivitätsauslegungspunkt des Abwärtswandlers normalerweise unter den Bedingungen maximaler Eingangsspannung und Volllast ausgewählt werden.

Bei der Auslegung des Induktivitätswertes ist ein Kompromiss zwischen dem Induktorrippelstrom und der Induktorgröße zu treffen, und der Ripplestromfaktor (Ripplestromfaktor; γ) wird hier wie in Formel (6) definiert.

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Durch Einsetzen von Formel (6) in Formel (5) kann der Induktivitätswert als Formel (7) ausgedrückt werden.

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Gemäß Formel (7) kann, wenn die Differenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung größer ist, der output-Wert größer gewählt werden; liegen dagegen Eingangs- und Ausgangsspannung näher, muss der γ-Wert kleiner ausgelegt werden. Um zwischen dem Induktorwelligkeitsstrom und der Baugröße zu wählen, beträgt traditional nach traditionellem Auslegungserfahrungswert üblicherweise 0,2 bis 0,5. Im Folgenden wird am Beispiel RT7276 die Berechnung der Induktivität und die Auswahl handelsüblicher Induktivitäten veranschaulicht.

Konstruktionsbeispiel: Entworfen mit RT7276 Advanced Constant On-Time (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) Synchrongleichrichtungs-Abwärtswandler, seine Schaltfrequenz beträgt 700 kHz, die Eingangsspannung beträgt 4,5 V bis 18 V und die Ausgangsspannung beträgt 1,05 V . Der Volllaststrom beträgt 3A. Wie oben erwähnt, muss der Induktivitätswert unter den Bedingungen der maximalen Eingangsspannung von 18 V und der Volllast von 3 A ausgelegt werden, der Wert von γ wird als 0,35 angenommen und der obige Wert wird in Gleichung (7) eingesetzt, die Induktivität Wert ist

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Verwenden Sie eine Induktivität mit einem herkömmlichen Nenninduktivitätswert von 1,5 µH. Ersetzen Sie Formel (5), um den Induktorwelligkeitsstrom wie folgt zu berechnen.

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Daher ist der Spitzenstrom der Induktivität

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Und der Effektivwert des Induktorstroms (IRMS) ist

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Da die Welligkeitskomponente des Induktors klein ist, ist der Effektivwert des Induktorstroms hauptsächlich seine Gleichstromkomponente, und dieser Effektivwert wird als Grundlage für die Auswahl des Induktornennstroms IDC verwendet. Bei einem 80%-Derating (Derating)-Design sind die Induktivitätsanforderungen:

 

L = 1,5 µH (100 kHz), IDC = 3,77 A, ISAT = 4,34 A

 

Tabelle 5 listet die verfügbaren Induktoren verschiedener TDK-Serien mit ähnlicher Größe, aber unterschiedlicher Gehäusestruktur auf. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass der Sättigungsstrom und der Nennstrom des gestanzten Induktors (SPM6530T-1R5M) groß sind und der Wärmewiderstand klein und die Wärmeableitung gut ist. Darüber hinaus ist das Kernmaterial der gestanzten Induktivität gemäß der Diskussion im vorherigen Kapitel ein Eisenpulverkern und wird daher mit dem Ferritkern der halbgeschirmten (VLS6045EX-1R5N) und geschirmten (SLF7055T-1R5N) Induktivitäten verglichen mit Magnetkleber. , Hat gute DC-Bias-Eigenschaften. Abbildung 11 zeigt den Wirkungsgradvergleich verschiedener Induktivitäten, die auf den fortschrittlichen synchronen Gleichrichtungs-Abwärtswandler RT7276 mit konstanter Einschaltzeit angewendet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Effizienzunterschied zwischen den drei nicht signifikant ist. Wenn Sie Probleme mit der Wärmeableitung, den DC-Bias-Eigenschaften und der Magnetfeldableitung berücksichtigen, wird die Verwendung von SPM6530T-1R5M-Induktivitäten empfohlen.

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Tabelle 5. Vergleich der Induktivitäten verschiedener Serien von TDK

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Abbildung 11. Vergleich des Umrichterwirkungsgrads mit verschiedenen Induktivitäten

Wenn Sie die gleiche Gehäusestruktur und den gleichen Induktivitätswert wählen, aber kleinere Induktivitäten wie SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), obwohl seine Größe klein ist, aber der Gleichstromwiderstand RDC (44,5 mΩ) und der Wärmewiderstand ΘTH ( 51˚C) /W) Größer. Bei Umrichtern gleicher Spezifikationen ist auch der Effektivwert des von der Induktivität tolerierten Stroms gleich. Offensichtlich verringert der Gleichstromwiderstand die Effizienz bei starker Belastung. Außerdem bedeutet ein großer Wärmewiderstand eine schlechte Wärmeableitung. Daher müssen bei der Auswahl eines Induktors nicht nur die Vorteile einer reduzierten Größe berücksichtigt, sondern auch die damit verbundenen Nachteile bewertet werden.

 

Abschließend

Die Induktivität ist eine der am häufigsten verwendeten passiven Komponenten in Schaltnetzteilen, die zur Energiespeicherung und -filterung verwendet werden können. Beim Schaltungsdesign muss jedoch nicht nur der Induktivitätswert beachtet werden, sondern auch andere Parameter wie AC-Widerstand und Q-Wert, Stromtoleranz, Eisenkernsättigung und Gehäusestruktur usw bei der Auswahl eines Induktors berücksichtigt werden. . Diese Parameter beziehen sich normalerweise auf das Kernmaterial, das Herstellungsverfahren sowie die Größe und die Kosten. Daher stellt dieser Artikel die Eigenschaften verschiedener Eisenkernmaterialien vor und erläutert, wie eine geeignete Induktivität als Referenz für das Netzteildesign ausgewählt wird.

 


Postzeit: 15.06.2021